Intensificação da transferência de calor e otimização de trocadores de calor compactos tipo venezianas com geradores de vórtices tipo delta-winglets.

Esta pesquisa visa a análise da contribuição de cinco variáveis de entrada e a otimização do desempenho termo-hidráulico de trocadores de calor com venezianas combinados com geradores de vórtices delta-winglets. O desempenho termohidráulico de duas geometrias distintas, aqui nomeadas por GEO1 e GEO2, foram avaliadas. Smoothing Spline ANOVA foi usado para avaliar a contribuição dos parâmetros de entrada na transferência de calor e perda de carga. Considerando aplicação automotiva, foram investigados números de Reynolds iguais a 120 e 240, baseados no diâmetro hidráulico. Os resultados indicaram que o ângulo de venezianas é o maior contribuidor para o aumento do fator de atrito para GEO1 e GEO2, para ambos os números de Reynolds. Para o número de Reynolds menor, o parâmetro mais importante em termos de transferência de calor foi o ângulo das venezianas para ambas as geometrias. Para o número de Reynolds maior, o ângulo de ataque dos geradores de vórtices posicionados na primeira fileira é o maior contribuidor para a tranfesferência de calor, no caso da geometria GEO1, enquanto que o ângulo de ataque dos geradores de vórtices na primeira fileira foi tão importante quanto os ângulos das venezianas para a geometria GEO2. Embora as geometrias analisadas possam ser consideradas como técnicas compostas de intensificação da transferência de calor, não foram observadas interações relevantes entre ângulo de venezianas e parâmetros dos geradores de vórtices. O processo de otimização usa NSGA-II (Non-Dominated Sorting Genetic Algorithm) combinado com redes neurais artificiais. Os resultados mostraram que a adição dos geradores de vórtices em GEO1 aumentaram a transferência de calor em 21% e 23% com aumentos na perda de carga iguais a 24,66% e 36,67% para o menor e maior números de Reynolds, respectivamente. Para GEO2, a transferência de calor aumentou 13% e 15% com aumento na perda de carga de 20,33% e 23,70%, para o menor e maior número de Reynolds, respectivamente. As soluções otimizadas para o fator de Colburn mostraram que a transferência de calor atrás da primeira e da segunda fileiras de geradores de vórtices tem a mesma ordem de magnitude para ambos os números de Reynolds. Os padrões de escoamento e as características de transferência de calor das soluções otimizadas apresentaram comportamentos vi particulares, diferentemente daqueles encontrados quando as duas técnicas de intensificação de transferência de calor são aplicadas separadamente.

Desenvolvimento de técnicas de otimização da programação das limpezas de redes de trocadores de calor

Trocadores de calor são equipamentos muito utilizados na indústria de processos com o objetivo de modificar a temperatura e/ou o estado físico de correntes materiais. Uma rede de trocadores de calor pode ser definida como um grupo de trocadores de calor interligados, a fim de reduzir as necessidades de energia de um sistema. No entanto, durante a operação de uma rede, a eficiência térmica dos trocadores de calor diminui devido à deposição. Esse efeito promove o aumento dos custos de combustível e das emissões de carbono. Uma alternativa para mitigar este problema baseia-se no estabelecimento de uma programação das limpezas dos trocadores de calor durante a operação de rede. Este tipo de abordagem ocasiona uma situação na qual ocorre um conflito de escolha: a limpeza de um trocador de calor pode recuperar a sua eficiência térmica, mas implica custos adicionais, tais como, mão-de-obra, produtos químicos, etc. Além disso, durante a limpeza, o trocador de calor tem de ser contornado por uma corrente de by-pass, o que aumenta temporariamente o consumo de energia. Neste contexto, o presente trabalho tem como objetivo explorar diferentes técnicas de otimização envolvendo métodos estocásticos e heurísticos. Com este objetivo foi desenvolvido um conjunto de códigos computacionais integrados que envolvem a simulação pseudo-estacionária do comportamento da rede relacionado com incrustações e a otimização da programação das limpezas deste tipo de sistema. A solução do problema indica os períodos de tempo para a limpeza de cada trocador de calor. Na abordagem estocástica empregada, os parâmetros do algoritmo genético, como probabilidade de crossover e probabilidade de mutação, foram calibrados para o presente problema. A abordagem heurística desenvolvida se deu através da sequência do conjunto de movimentos zero, um e dois. De forma alternativa, desenvolveu-se a metodologia heurística recursiva na qual os conjuntos de movimentos um e dois foram empregados recursivamente. Também foi desenvolvida a abordagem híbrida que consistiu em diferentes combinações da metodologia estocástica e heurística. A análise comparativa entre as metodologias empregadas teve como objetivo avaliar a abordagem mais adequada para o presente problema da programação das limpezas em termos de função objetivo e esforço computacional. O desempenho da abordagem proposta foi explorado através de uma série de exemplos, incluindo uma refinaria real brasileira. Os resultados foram promissores, indicando que as técnicas de otimização analisadas neste trabalho podem ser abordagens interessantes para operações que envolvam redes de trocadores de calor. Dentre as abordagens de otimização analisadas, a metodologia heurística desenvolvida no presente trabalho apresentou os melhores resultados se mostrando competitiva frente às abordagens comparadas da literatura

Uma abordagem matricial para modelagem e simulação de redes de trocadores de calor com aplicações para o gerenciamento da deposição

Uma rede de trocadores de calor pode ser definida como um grupo de trocadores de calor interligados com o objetivo de reduzir a necessidade de energia de um sistema, sendo largamente usada nas indústrias de processos. Entretanto, uma rede está sujeita à deposição, a qual causa um decréscimo na efetividade térmica dos trocadores. Este fenômeno é provocado pelo acúmulo de materiais indesejáveis sobre a superfície de troca térmica. Para compensar a redução de efetividade térmica causada pela deposição, torna-se necessário um aumento no consumo de utilidades. Isto eleva os custos de operação, assim como os custos de manutenção. Estima-se que os custos associados à deposição atinjam bilhões de dólares anualmente. Em face a este problema, vários trabalhos de pesquisa têm investigado métodos para prevenir a deposição e/ou gerenciar as operações em uma rede. Estudos envolvem desde a otimização de trocadores de calor individuais, simulação e monitoramento de redes, até a otimização da programação das paradas para limpeza de trocadores de calor em uma rede. O presente trabalho apresenta a proposição de um modelo para simulação de redes de trocadores de calor com aplicações no gerenciamento da deposição. Como conseqüência, foi desenvolvido um conjunto de códigos computacionais integrados, envolvendo a simulação estacionária de redes, a simulação pseudo-estacionária do comportamento de redes em relação à evolução da deposição, a estimação de parâmetros para diagnóstico do problema da deposição e a otimização operacional deste tipo de sistema. Com relação ao simulador estacionário, o modelo da rede foi formulado matricialmente e os balanços de massa e energia são resolvidos como sistemas de equações lineares. Do ponto de vista da otimização, o procedimento proposto redistribui as vazões, visando um melhor aproveitamento térmico dos trocadores da rede, como, por exemplo, buscando as vazões da rede que maximizem a temperatura da corrente de entrada no forno em unidades de destilação atmosférica de óleo cru. Os algoritmos foram implementados em alguns exemplos da literatura e em um problema de uma refinaria real. Os resultados foram promissores, o que sugere que a proposta deste trabalho pode vir a ser uma abordagem interessante para operações envolvendo redes de trocadores de calor

Otimização da programação das limpezas em redes de trocadores de calor utilizando técnicas de programação matemática

Redes de trocadores de calor são bastante utilizadas na indústria química para promover a integração energética do processo, recuperando calor de correntes quentes para aquecer correntes frias. Estas redes estão sujeitas à deposição, o que causa um aumento na resistência à transferência de calor, prejudicando-a. Uma das principais formas de diminuir o prejuízo causado por este fenômeno é a realização periódica de limpezas nos trocadores de calor. O presente trabalho tem como objetivo desenvolver um novo método para encontrar a programação ótima das limpezas em uma rede de trocadores de calor. O método desenvolvido utiliza o conceito de horizonte deslizante associado a um problema de programação linear inteira mista (MILP). Este problema MILP é capaz de definir o conjunto ótimo de trocadores de calor a serem limpos em um determinado instante de tempo (primeiro instante do horizonte deslizante), levando em conta sua influência nos instantes futuros (restante do horizonte deslizante). O problema MILP utiliza restrições referentes aos balanços de energia, equações de trocadores de calor e número máximo de limpezas simultâneas, com o objetivo de minimizar o consumo de energia da planta. A programação ótima das limpezas é composta pela combinação dos resultados obtidos em cada um dos instantes de tempo.O desempenho desta abordagem foi analisado através de sua aplicação em diversos exemplos típicos apresentados na literatura, inclusive um exemplo de grande porte de uma refinaria brasileira. Os resultados mostraram que a abordagem aplicada foi capaz de prover ganhos semelhantes e, algumas vezes, superiores aos da literatura, indicando que o método desenvolvido é capaz de fornecer bons resultados com um baixo esforço computacional

Aplicação de técnicas de otimização no gerenciamento da deposição em redes de trocadores de calor

Deposição é um fenômeno indesejável que ocorre na superfície dos trocadores de calor ao longo de sua operação, ocasionando redução na efetividade térmica e aumento da resistência ao escoamento nestes equipamentos. Estes efeitos trazem grandes consequências econômicas e ambientais, devido ao aumento dos custos operacionais (energia adicional é requerida), aumento dos custos de projeto (demanda por equipamentos de maior área de troca térmica), limitações hidráulicas (que pode levar a uma diminuição da carga processada) e aumento das emissões (aumento da queima de combustíveis fósseis para suprir a energia adicional requerida). Neste contexto, o presente trabalho tem por objetivo fornecer ferramentas computacionais robustas que apliquem técnicas de otimização para o gerenciamento da deposição em redes de trocadores de calor, visando minimizar os seus efeitos negativos. Estas ferramentas foram desenvolvidas utilizando programação matemática no ambiente computacional GAMS, e três abordagens distintas para a resolução do problema da deposição foram pesquisadas. Uma delas consiste na identificação do conjunto ótimo de trocadores de calor a serem limpos durante uma parada para manutenção da planta, visando restaurar a carga térmica nesses equipamentos através da remoção dos depósitos existentes. Já as duas outras abordagens consistem em otimizar a distribuição das vazões das correntes ao longo de ramais paralelos, uma de forma estacionária e a outra de forma dinâmica, visando maximizar a recuperação de energia ao longo da rede. O desempenho destas três abordagens é ilustrado através de um conjunto de exemplos de redes de trocadores de calor, onde os ganhos reais obtidos com estas ferramentas de otimização desenvolvidas são demonstrados

Integração energética da rede de trocadores de calor em extração por solvente para a produção de farelo branco de soja

A síntese de redes de trocadores de calor foi muito bem estudada pela comunidade científica nos últimos trinta anos, porém, o desenvolvimento de métodos e a melhoria dos já existentes sempre foram o foco principal da grande maioria dos autores. São poucos os trabalhos que aplicam qualquer uma das metodologias a situações reais e discorrem sobre as dificuldades encontradas - provavelmente porque as empresas não têm interesse em tornar público os resultados obtidos. Este trabalho aplica a metodologia do ponto de estrangulamento na nova fábrica de farelo branco do Parque Industrial de Esteio e, portanto, pode servir como um guia prático aos profissionais que desejem fazer o mesmo em outras plantas industriais. Esta dissertação sintetiza duas redes de trocadores de calor para a fábrica de farelo branco de Esteio, levando em consideração as condições econômicas e os custos de equipamento e de montagem no Brasil. A primeira rede estabelecida é baseada em aproveitamentos térmicos utilizados pelos fabricantes e pelas empresas que dominam a tecnologia de extração de óleos vegetais, já a segunda rede sintetizada utiliza a metodologia do ponto de estrangulamento. Os dois resultados obtidos são bastante viáveis economicamente, sendo que a rede sintetizada pelo ponto de estrangulamento é mais econômica. O Valor Presente Líquido é utilizado como critério de cálculo de viabilidade das duas redes. Foi demonstrado que para a realidade brasileira este critério é mais adequado que o Custo Total Anualizado. A flexibilidade da rede produzida pelo método do ponto de estrangulamento foi avaliada de maneira preliminar por simulação e tabelas de sensibilidade. O resultado obtido é robusto na posta em marcha e quando a planta é submetida a variações no extrator - situações que produzem distúrbios importantes e freqüentes. A aplicação da metodologia do ponto de estrangulamento na integração energética da fábrica de farelo branco confirmou a simplicidade do método e a sua forte interação com o engenheiro de processos. O Rio Grande do Sul tem muito a ganhar se esta metodologia for disseminada nas universidades e nas empresas que compõe o parque industrial do estado.

Simulação numérica de trocadores de calor multitubulares equipados com fitas helicoidais externamente aos tubos

Classical shell-and-tube heat exchangers are usually equipped with segmental baffles. These baffles serve two basic functions: (a) they provide tube supports, thereby preventing or reducing mechanical problems, such as sagging or vibration; (b) they direct the fluid flow over the tubes so as to introduce a cross-flow component, thereby increasing the heat transfer. Segmented baffles have several sources of performance loss, some due to various leakage flows and others caused by stagnation zones. A new concept of longitudinal flow heat exchanger - based on placing twisted tapes along the tube bundle subchannels - was developed to mitigate drawbacks of other types of tubular heat exchangers. In this paper, a numerical model has been implemented in order to simulate the thermal-hydraulic feature of tubular heat exchangers equipped either with segmental baffles or with subchannel twisted tapes. The tube bundle has been described by means of an equivalent porous medium type model, allowing a macroscopic description of the shell-side flow. The basic equations - continuity, momentum and energy - have been solved by using the finite volume method. Typical numerical results have been compared with experimental data, reaching a very good agreement. A comparative analysis of different types of heat exchangers has been carried out, revealing the satisfactory thermal-hydraulic efficiency level of the twisted tapes heat exchangers.

Modelagem do escoamento transiente ao longo de trocadores de calor tubo capilar-linha de sucção

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Dimensionamento de trocadores de calor aplicados à refrigeração da água do molde de um processo de lingotamento contínuo

This study aims to determine the most suitable type of heat exchanger to be applied to the water cooling the mold of a continuous casting process. Basically been studied four types of heat exchangers: shell and tube operating in counterflow, shell and tube operating in parallel flow, plate type and operating counterflow and plates operating in parallel flow. Initially is displayed design of heat exchangers for the conditions of the proposed application. With the heat exchangers dimensioned comparisons were made in order to set the heat exchanger more suitable for application. In the study, one comes to the conclusion that the plate type heat exchangers operating shows counterflow major advantage for this application

Comparação da eficiência térmica de trocadores de calor no laboratório de sistemas térmicos da Faculdade de Engenharia

This work aims to verify and compare the efficiency of heat exchangers used in the thermal systems laboratory at Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá - UNESP. Basically, it has been studied two types of heat exchangers: plate type, operating in parallel flow and counter-flow, shell and tube type and also operating in parallel flow and counter flow. Initially it has been presented the didactic equipment and procedures for use of these heat exchangers in the proposed experiments. With the results obtained from the experiments, comparisons were made in order to define the behavior of the heat exchangers regarding some variables. In the study, one comes to the conclusion that the results from shell and tube type of heat exchanger, used in the thermal systems lab, are superior in all conditions analyzed

Síntese de nanopartículas de sulfeto de cobre, preparação e estabilidade coloidal de fluidos trocadores de calor em meio aquoso

Pós-graduação em Química - IQ

Utilização de trocadores de calor de placas em espiral em processos da indústria siderúrgica

Stricter environmental policies are shown necessary to ensure an effective pollutant emission control. It is expected for the present year of 2015, that Brazil will assume, at the 21th United Nation's Climate Change Conference (COP21), implementation of commitment to a low carbon economy. This positioning affects the industrial environment, so that is deemed necessary to search for new technologies, less aggressive to the environment, so the adequacies to the new emission policies do not cause a negative effect on production. Almost all of the processes performed in the steel industry demand burning fuel and, therefore, flue gases are sent to the atmosphere. In this present work is discussed the utilization of heat exchangers so, by recovering part of the available heat from the flue gases of certain industrial process, the combustion air is preheated. The combustion air preheat results in less energy requirement, i.e., less need of fuel consumption and, in addition, minor amount of pollutants to be emitted. Due to better fitting to the process, it is studied the utilization of spiral plate heat exchangers. The heat exchanger dimensioning is made by an iterative method implemented in the software Microsoft Excel. Subsequently are analyzed the gains in terms of process's thermal efficiency improvement and the percentage of fuel saving. The latter implies in reduction of the same percentage of greenhouse gases emission

Utilização de trocadores de calor de placas em espiral em processos da indústria siderúrgica

Stricter environmental policies are shown necessary to ensure an effective pollutant emission control. It is expected for the present year of 2015, that Brazil will assume, at the 21th United Nation's Climate Change Conference (COP21), implementation of commitment to a low carbon economy. This positioning affects the industrial environment, so that is deemed necessary to search for new technologies, less aggressive to the environment, so the adequacies to the new emission policies do not cause a negative effect on production. Almost all of the processes performed in the steel industry demand burning fuel and, therefore, flue gases are sent to the atmosphere. In this present work is discussed the utilization of heat exchangers so, by recovering part of the available heat from the flue gases of certain industrial process, the combustion air is preheated. The combustion air preheat results in less energy requirement, i.e., less need of fuel consumption and, in addition, minor amount of pollutants to be emitted. Due to better fitting to the process, it is studied the utilization of spiral plate heat exchangers. The heat exchanger dimensioning is made by an iterative method implemented in the software Microsoft Excel. Subsequently are analyzed the gains in terms of process's thermal efficiency improvement and the percentage of fuel saving. The latter implies in reduction of the same percentage of greenhouse gases emission

Sensoriamento óptico quase-distribuído aplicado ao monitoramento de trocadores de calor de usinas hidrelétricas

This work aims to develop optical sensors for temperature monitoring in hydroelectric power plant heat exchangers. The proposed sensors are based on the Fiber Bragg Gratings technology. First of all, a prototype with three sensors inscribed in a same fiber was developed. This fiber was then fixed to a conventional Pt100 sensor rod and inserted in a thermowell. The ensemble was then calibrated in a workbench, presenting a maximum combined uncertainty of 2,06 °C. The sensor was installed in one of the heat exchangers of the Salto Osório’s hydroelectric power plant. This power plant is situated in the Iguaçu river, at the Paraná state. Despite the satisfactory results, the sensor was improved to a second version. In this, fifteen optical Bragg sensors were inscribed in a same fiber. The fixation with a conventional sensor was no longer necessary, because the first version results comproved the efficiency and response time in comparison to a conventional sensor. For this reason, it was decided to position the fiber inside a stainless steel rod, due to his low thermal expansion coefficient and high corrosion immunity. The utilization of fifteen fiber Bragg gratings aims to improve the sensor spatial resolution. Therefore, measurements every ten centimeters with respect to the heat exchanger’s height are possible. This provides the generation of a thermal map of the heat exchanger’s surface, which can be used for determination of possible points of obstruction in the hydraulic circuit of the heat exchanger. The heat exchanger’s obstruction in hydroelectric power plants usually occur by bio-fouling, and has direct influence in the generator’s cooling system efficiency. The obtained results have demonstrated the feasibility in application of the optical sensors technology in hydroelectric power plants.

Análise da eficácia de um refrigerador doméstico com condensador modificado: revestimento com meio poroso dissipativo

The development of home refrigerators generally are compact and economic reasons for using simplified configuration. The thermodynamic coefficient of performance ( COP ) is limited mainly in the condenser design for reasons of size and arrangement ( layout ) of the project ( design ) and climatic characteristics of the region where it will operate. It is noteworthy that this latter limitation is very significant when it comes to a country of continental size like Brazil with diverse climatic conditions. The COP of the cycle depends crucially on the ability of heat dissipated in the condenser. So in hot climates like the northeast, north, and west-central dispel ability is highly attenuated compared to the south and southeast regions with tropical or subtropical climates when compared with other regions. The dissipation in compact capacitors for applications in domestic refrigeration has been the focus of several studies, that due to its impact on reducing costs and power consumption, and better use of the space occupied by the components of refrigeration systems. This space should be kept to a minimum to allow an increase in the useful storage volume of refrigerator without changing the external dimensions of the product. Due to its low cost manufacturing, wire on tube condensers continue to be the most advantageous option for domestic refrigeration. Traditionally, these heat exchangers are designed to operate under natural convection. Not always, the benefits of greater compactness of capacitors for forced outweigh the burden of pumping air through the external heat exchanger. In this work we propose an improvement in convective condenser changing it to a transfer mechanism combined in series with conductive pipes and wire to a moist convective porous medium and the porous medium to the environment. The porous media used in the coating was composed of a gypsum plaster impregnated fiber about a mesh of natural cellulosic molded tubular wire mesh about the original structure of the condenser , and then dried and calcined to greater adherence and increased porosity. The proposed configuration was installed in domestic refrigeration system ( trough ) and tested under the same conditions of the original configuration . Was also evaluated in the dry condition and humidified drip water under natural and forced with an electro - fan ( fan coil ) convection. Assays were performed for the same 134- refrigerant charge e under the same thermal cooling load. The performance was evaluated in various configurations, showing an improvement of about 72 % compared with the original configuration proposed in humidification and natural convection.